CN114071963A - 燃料电池供电制冷的一体化机柜及数据中心 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池供电制冷的一体化机柜及数据中心，针对现有的数据中心将供能与用能分开设置，使得数据中心结构复杂及能量损耗严重的问题，充分利用燃料电池具有电、冷(吸热制冷)供应能力的特点，将燃料电池直接与终端用能设备机柜结合，不仅直接供电，而且能实现机柜分散式制冷，大大提高了制冷的效率，电冷供能效率显著提高，实现PUE的明显下降。通过一体化设计，将供电模块、制冷模块、用电模块组合在一起，实现向机柜服务器的直流供电、直接供冷，不仅实现了绿电在数据中心的推广，而且大大减少了供电和制冷的的中间损耗，提高了效率。

Description

燃料电池供电制冷的一体化机柜及数据中心

技术领域

本发明属于氢能应用的技术领域，尤其涉及一种燃料电池供电制冷的一体化机柜及数据中心。

背景技术

数据中心是数字经济的底座，占社会用电量的2％，支撑占GDP36.2％的数字经济规模，大数据中心是新基建七大核心领域之一。数据中心的发展方向是零碳数据中心。对于新建的数据中心，针对存在：

(1)能效低：实际PUE＞设计PUE；

(2)施工污染大，三废多；

(3)建设周期长(＞2年)等痛点。

需要树立“全生命周期绿色DC”的目标，目前主要有三条技术路径：

一是创新建设模式，具备包括预制模块化建设、园区叠光、绿电引入等；

二是高效用能，具备包括：高效温控、自然冷源、高效供电等；

三是AI辅助运维，具备包括：数字孪生、可视化运维、AI能效系统级优化等。

对于已经建成的数据中心，针对存在：

(1)老旧供电设备效率低，故障率高，占地面积大；

(2)传统冷冻水系统，能耗高，人工调节效果差等痛点。提出“供电改造”和“温控改造”两条技术路径，并拟定高密高效，5年收回投资；

(3)模块化设计，5分钟维护的改造目标，最终实现PUE降低8～15％。氢能源是数据中心实现零碳的一条重要途径，目前已经有众多的国内厂家和公司专注于利用氢燃料电池实现零碳数据中心。

现有专利如：空冷型氢燃料电池备用电源系统户外一体化专用机柜(公开号：CN203760569U)，提供了一种空冷型氢燃料电池备用电源系统户外一体化专用机柜方案。该机柜包括储氢气瓶仓、氢燃料电池备用电源仓、进气仓、排气仓和废气排放装置，储氢气瓶仓和氢燃料电池备用电源仓通过隔板隔开，储氢气瓶仓设有氢气瓶固定装置，隔板上设有电磁阀组，氢燃料电池备用电源仓为一个密封仓，设有氢燃料电池备用电源，氢燃料电池备用电源具有内部风道，内部风道不与密封仓内连通，进气仓分设于氢燃料电池备用电源仓的前后两侧，与氢燃料电池备用电源仓相互隔离，并与氢燃料备用电源的内部风道相连通，废气排放装置，包括管道和机柜顶板。

一种用于甲醇水重整制氢燃料电池发电的户外机柜(公开号：CN211125834U)，开发了一种用甲醇水重整制氢燃料电池发电的户外机柜，包括柜体，柜体的内部通过隔板被密封分隔成燃料供给模块舱、制氢模块舱、燃料电池模块舱、控制单元舱和动力电源舱；柜体的侧面上设有余热制冷装置、电动进风过滤装置和自垂式排气装置；本专利通过在柜体的侧面上设置自垂式排风装置、余热制冷装置电动进风装置，使燃料供给模块舱、制氢模块舱、燃料电池模块舱、控制单元舱和动力电源舱之间形成余热回收控温系统，而将燃料电池电堆舱温度被控制在设定范围，保证整个机柜内的设备能正常运行。在户外使用时能过滤空气中的有害气体，同时防止雨水和灰尘渗入，以及利用制氢模块工作时产生的余热来控制燃料电池舱的内部环境温度。

一种室内型通信数据机房供电系统和控制方法(公开号：CN111029629A)。发明了一种室内型通信数据机房供电系统，包括安装于机房内若干个并联设置的甲醇水重整氢燃料电池发电机，发电机的正极通过隔离二极管与机房汇流排的正极相连，负极通过线缆与机房汇流排的负极直接相连，机房汇流排与磷酸铁锂电池相连，磷酸铁锂电池通过直流接触器与可并网逆变器相连，磷酸铁锂电池通过线缆与可并网逆变器相连，机房汇流排与市电传输线路相连供电，市电突然断电时，磷酸铁锂电池短暂供电并切换为甲醇水重整氢燃料电池发电机供电，本发明还公开了一种室内型通信数据机房供电系统的控制方法。相对现有技术，本发明技术方案具有相应速度较快、全自动化操作、无污染且低噪音等优点，可有效保障通信数据中转机房的工作可靠性。

一种数据中心供配电和热能利用系统(公开号：CN112134279A)本发明公开了一种数据中心供配电和热能利用系统，系统包括电源切换模块、换热模块、制冷模块以及供氢模块。本发明利用氢能源转化装置代替传统柴油机为数据中心供电，并将氢能源转化装置产生的废热充分利用，为数据中心制冷。整个供配电系统通过电源切换在白天市电处于峰值电时，将主电源切换为氢能源转化装置，市电为备用电源，晚上市电处于谷值电时，将主电源切换为市电，氢能源转化装置为备用电源。本发明可以满足数据中心大量稳定的用电需求，通过灵活的配电切换方式，实现市电的削峰填谷，并能够充分利用氢能源转化装置产生的废热，提高了数据中心的能量利用效率，为数据中心可靠、低成本清洁供电提供了一条可行的途径。

以上专利技术已经考虑到多电源输入、换热模块，并将氢燃料电池产生的废热利用换热模块，为数据中心制冷，但是以上的发明将供能和用能分开考虑，没有考虑到IDC目前对各类的供电都有严格的进入标准，无论是以柴发，还是以备用电池的形式，目前均很难工业实现，只有供电和用电自成系统才能够实际使用。

发明内容

本发明的目的是提供一种燃料电池供电制冷一体化机柜，将电能和冷却用能的供应系统与机柜的用能结合在一起，成为可以免维护运行的一体机，并可以提供数据服务。

为解决上述问题，本发明的技术方案为：

一种燃料电池供电制冷的一体化机柜，用于数据中心，包括：供电模块、燃料电池模块、制冷模块及用电模块；

所述供电模块用于提供所述用电模块的用电需求；

所述燃料电池模块利用电、冷联供的特性，根据所述用电模块的用电量及所述制冷模块的热量需求，配置相应的功率；

所述制冷模块利用所述燃料电池模块排出的余热，采用吸收式制冷技术实现对所述用电模块的制冷。

根据本发明一实施例，所述用电模块主要包括服务器用电，所述供电模块配置一恒压直流电给所述用电模块。

根据本发明一实施例，所述供电模块包括供氢模块及电源切换模块，所述供氢模块与外部的制储氢模块连接，接收制储氢模块提供的氢气，将所述氢气传输至所述燃料电池模块；

所述电源切换模块用于切换所述用电模块的供电方式，所述供电方式包括燃料电池供电及市电供电。

根据本发明一实施例，所述制冷模块包括换热器及制冷机，所述换热器连接所述燃料电池模块，吸收所述燃料电池模块排出的余热，将所述余热传输至所述制冷机，所述制冷机以所述余热为驱动能源，实现循环制冷，输出冷风至所述用电模块。

一种一体化机柜构建的数据中心，包括本发明一实施例中的燃料电池供电制冷的一体化机柜。

本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：

本发明一实施例中的燃料电池供电制冷的一体化机柜，针对现有的数据中心将供能与用能分开设置，使得数据中心结构复杂及能量损耗严重的问题，通过充分利用燃料电池的电、冷联供的特性，通过一体化设计，将供电模块、制冷模块、用电模块组合在一起，实现向机柜服务器的直流供电、直接供冷，不仅实现了绿电在数据中心的推广，而且大大减少了供电和制冷的的中间损耗，提高了效率。

附图说明

图1为本发明一实施例中的燃料电池供电制冷的一体化机柜框图；

图2为本发明一实施例中的数据中心示意图。

附图标记说明：

1：制储氢模块；2：供氢模块；3：燃料电池模块；4：电源切换模块；5：服务器；6：换热器；7：制冷机；8：市电；9：一体化机柜；10：数据中心。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种燃料电池供电制冷一体化机柜作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。

以往的数据中心的供电系统和机柜等用电系统都是分开的，当考虑用绿电供应改造现有的数据中心时，无论是在柴油发电供电系统，HVDC(High Voltage Direct Current，高压直流电)供电、机柜供电端子等任何一个环节介入，都面临和以往系统的融合。本发明充分利用燃料电池具有电、冷(吸热制冷)供应能力的特点，将燃料电池直接与终端用能设备机柜结合，不仅直接供电，而且能实现机柜分散式制冷，大大提高了制冷的效率，电冷供能效率显著提高，实现PUE(Power Usage Effectiveness，电源使用效率)的明显下降。

本发明提供了一种燃料电池供电制冷的一体化机柜，用于数据中心，该一体化机柜包括：供电模块、燃料电池模块、制冷模块及用电模块；其中，供电模块用于提供用电模块的用电需求；燃料电池模块利用电、冷联供的特性，根据用电模块的用电量及所述制冷模块的热量需求，配置相应的功率；制冷模块利用燃料电池模块排出的余热，采用吸收式制冷技术实现对用电模块的制冷。

具有的，请参看图1，该一体化机柜9包括供氢模块2、燃料电池模块3、电源切换模块4、服务器5、换热器6及制冷机7。

服务器5是主要的用电模块，包括CPU、内存、硬盘、RAID卡、网卡，配套主板、机箱等，需要的是380v的直流电。

供电模块的主要功能是提供能满足服务器5的用电需求。该供电模块包括供氢模块2及电源切换模块4，其中，供氢模块2与外部的制储氢模块1连接，接收制储氢模块1提供的氢气，将氢气传输至燃料电池模块3，作为燃料电池模块3的燃料。电源切换模块4用于切换用电模块(服务器5)的供电方式，该供电方式包括燃料电池模块3提供的恒压直流电及市电8提供的220V交流电。

制冷模块包括换热器6及制冷机7，其中，换热器6连接燃料电池模块3，吸收燃料电池模块3排出的余热，将余热传输至制冷机7，制冷机7以该余热为驱动能源，实现循环制冷，输出冷风至用电模块(服务器5)。

该制冷模块利用FC(燃料电池)排出的余热，一般FC按各50％的电、热供应，这样当服务器5的总用电量按10kw计时，需要配置20kw的FC，其中供电10kw，另外供热10kw，然后采用吸收式制冷(吸收式制冷是以消耗热能，依靠液态制冷剂(制冷剂可以是目前知道的任意一种)，在蒸发器内汽化、吸热，迫使热量不断由低温传向高温的制冷技术)。吸收式制冷以自然存在的水或氨等为制冷剂，对环境和大气臭氧层无害；以热能为驱动能源，除了利用锅炉蒸气、燃料产生的热能外，还可以利用余热、废热、太阳能等低品位热能，在同一机组中还可以实现制冷和制热(采暖)的双重目的。该制冷模块除了泵和阀件外，绝大部分是换热器，运转安静，振动小；同时，制冷机在真空状态下运行，结构简单，安全可靠，安装方便；可直接利用热源，如低压蒸汽、热水，甚至废汽、废热，耗电极少，只相当于同容量离心式机的2％～9％；变负荷容易，调节范围广(能在10％～100％范围内调节制冷量)。若制冷效率按50％考虑，该系统具有5kw的制冷能力。

在实际应用中，对于室内单机机柜，以往的服务器一般由CPU、内存、硬盘、网卡、主板、管理系统，另外外配电源和冷却风扇。以往IDC(Internet Data Center互联网数据中心)的供能系统，主要由三部分组成，分别为(1)交流输入系统；(2)UPS(不间断电源)供电系统；(3)负载机架配电系统。在(1)交流输出系统中，常供电为输入动力配电加上冗余转换ATS(Automatic transfer switching equipment)，并配置了柴油发电机作为事故电源；在(2)UPS供电系统中，首先是来自(1)交流输出中的输入配电，然后是经过谐波治理，接着进入UPS，然后进入输出配电，其中UPS还配置电池进行供电。在(3)配电系统中，经过冗余转换(STS)，输出到机架供配电，然后各服务器从机架上取电，可以提供48VDC、57VDC的恒压直流输出，也可以是220VAC输出。

当采用本发明中的燃料电池供电制冷的一体化机柜，采用燃料电池模块3作为供能系统，使机房电源结构更加简单。在具体构建时，可先选择目前最大的12kw的服务器进行供能(电能、冷能)，然后进行燃料电池选型，选择现有的一款燃料电池，额定功率为36kw，输出电压范围为99V～165VDC。由前可知大于57VDC可以满足要求，发电的效率可达53％，由FC热电联供综合效率不小于85％计算，制热的部分效率32％，对应的吸热功率为11.52kw，循环制冷系数是同温限间逆向卡诺循环的75％，为11.52×0.75＝8.64kw，根据经验大约一个4kw的机柜需要2kw的制冷量，则一个10kw机柜需要的制冷量为5kw，考虑到8.64kw>5kw，由此可见在制冷量上也是满足要求的，由此可以得出对于该工况，对应的机柜系统配置如下：

(1)机柜功率：12kw

(2)电压需求：57VDC

(3)配套FC功率：36kw

(4)输出电压：99～165VDC

(5)制冷功率：8.64kw

(6)发电效率：53％

(7)发电+制冷效率：≥75％

除了上述一体化机柜外，本发明还提供了一种数据中心，包括上述的燃料电池供电制冷的一体化机柜。

请参看图2，该一体化机柜构建的数据中心10，由三个一体化机柜9组成数据中心10的一部分，该数据中心10总的功率为12kw×3＝36kw，选取的燃料电池功率为100kw，输出电压为185V～335VDC，氢气的入口压力为30～120KPa，尺寸(长×宽×高)为690×410×260mm，重量达到65kg。若发电的效率仍按53％计算，由FC热电联供综合效率不小于85％计算，制热的部分效率32％，对应的吸热功率为32kw，循环制冷系数是同温限间逆向卡诺循环的75％，为32×0.75＝24kw，根据经验大约一个4kw的机柜需要2kw的制冷量，则3个10kw机柜需要的制冷量为15kw，考虑到24kw>15kw，由此可见在制冷量上也是满足要求的。考虑燃料电池的功率增加时，其重量也增加，对于场地有限的情况下，最后配置得到的机柜系统参数如下：

(1)机柜功率：36kw

(2)电压需求：57VDC

(3)配套FC功率：100kw

(4)输出电压：185～335VDC

(5)制冷功率：24kw

(6)发电效率：53％

(7)发电+制冷效率：≥75％

(8)FC系统尺寸(长×宽×高)：690×410×260mm

(9)FC系统重量：65kg

综上，本发明提供的燃料电池供电制冷的一体化机柜及数据中心，充分利用燃料电池具有电、冷(吸热制冷)供应能力的特点，将燃料电池直接与终端用能设备机柜结合，不仅直接供电，而且能实现机柜分散式制冷，大大提高了制冷的效率，电冷供能效率显著提高，实现PUE的明显下降。通过一体化设计，将供电模块、制冷模块、用电模块组合在一起，实现向机柜服务器的直流供电、直接供冷，不仅实现了绿电在数据中心的推广，而且大大减少了供电和制冷的的中间损耗，提高了效率。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。

Claims (5)

1.一种燃料电池供电制冷的一体化机柜，用于数据中心，其特征在于，包括：供电模块、燃料电池模块、制冷模块及用电模块；

所述供电模块用于提供所述用电模块的用电需求；

所述燃料电池模块利用电、冷联供的特性，根据所述用电模块的用电量及所述制冷模块的热量需求，配置相应的功率；

所述制冷模块利用所述燃料电池模块排出的余热，采用吸收式制冷技术实现对所述用电模块的制冷。

2.如权利要求1所述的燃料电池供电制冷的一体化机柜，其特征在于，所述用电模块主要包括服务器用电，所述供电模块配置一恒压直流电给所述用电模块。

3.如权利要求1所述的燃料电池供电制冷的一体化机柜，其特征在于，所述供电模块包括供氢模块及电源切换模块，所述供氢模块与外部的制储氢模块连接，接收制储氢模块提供的氢气，将所述氢气传输至所述燃料电池模块；

所述电源切换模块用于切换所述用电模块的供电方式，所述供电方式包括燃料电池供电及市电供电。

4.如权利要求1所述的燃料电池供电制冷的一体化机柜，其特征在于，所述制冷模块包括换热器及制冷机，所述换热器连接所述燃料电池模块，吸收所述燃料电池模块排出的余热，将所述余热传输至所述制冷机，所述制冷机以所述余热为驱动能源，实现循环制冷，输出冷风至所述用电模块。

5.一种一体化机柜构建的数据中心，其特征在于，包括权利要求1至4中任意一项所述的燃料电池供电制冷的一体化机柜。

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